ТЕХНОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ МОРСКОЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ ДЛЯ АКВАТОРИЙ, ПОКРЫТЫХ ЛЬДОМ Долгих Г.И.,Будрин С.С.,Давыдов А.В.,Долгих С.Г.,Чупин В.А.,Швец В.А.,Яковенко С.В.,Ярощук И.О.

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет


Номер: 11-1
Год: 2017
Страницы: 50-54
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

лазерный деформограф, низкочастотный гидроакустический излучатель, волны Рэлея, laser strainmeter, low-frequency hydroacoustic radiator, Rayleigh waves

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В ходе выполненных экспериментальных исследований в зимний и весенний периоды разработана технология определения скоростей сигналов на трассах «излучение-приём» на основе использования низкочастотных гидроакустических излучателей, излучающих сложные фазоманипулированные сигналы (М-последовательности), и береговых лазерных деформографов. Дальнейшая разработка данной технологии позволит применять её при изучении структуры и состава морской земной коры шельфовых зон, в том числе покрытых льдом без его разрушения.

Текст научной статьи

Введение При изучении структуры и состава морской земной коры используются различные методы и технические средства. В последние годы для решения этих задач первостепенное значение приобрели гидроакустические методы и средства. Результаты некоторых проведённых экспериментальных исследований [1, 2] с дальнейшим численным и аналитическим моделированием создали оптимистические надежды по успешному решению поставленных задач. В связи с активным освоением Арктики и Антарктики задача экспериментальной регистрации и анализа гео-гидроакустических шумовых полей в ледовых условиях является крайне актуальной. Среди результатов ряда работ этого направления можно отметить результаты, полученные в Антарктиде при помощи сейсмической сети, установленной на леднике [3]. В настоящее время активно развивается другой метод для решения задач геоакустической инверсии по изучению структуры и состава морской земной коры. Он основан на применении низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов [4]. Гидроакустический излучатель излучает сложные фазоманипулированные сигналы (М-последовательности). Гидроакустические сигналы на слоистом дне трансформируются в сейсмоакустические сигналы, которые распространяются по слоям и по их границам. Данные сейсмоакустические сигналы регистрируются береговым лазерным деформографом. В дальнейшем проводится свёртка излучённых гидроакустических сигналов с сейсмоакустическими сигналами, принятыми лазерными деформографами. При применении системы точного времени определяются времена различных приходов сигналов. Дальнейшее численное моделирование, использующее натурные данные, позволяет определять скорости поверхностных волн Рэлея, Стоунли и Лява, а также толщину слоёв морского дна и их упругие параметры. Эксперимент, результат обработки и анализа данных Зимой 2017 года по данной методике впервые в мире был проведён эксперимент на покрытой льдом акватории. Экспериментальные работы выполнялись на льду и берегу Амурского залива Японского моря. Для излучения гармонических и сложных фазоманипулированных сигналов с центральной частотой 33 Гц использовалась гидроакустическая излучающая система с электромагнитным преобразователем. Она способна работать при глубинах погружения от 2 до 25 м. В точке с координатами 43° 12.391¢ СШ и 131° 52.984¢ ВД во льду была проделана лунка, в которую с помощью лебёдки на глубину 12 м опускался низкочастотный гидроакустический излучатель. Глубина моря в месте излучения составляла 15.5 м. Максимальное эффективное звуковое давление, которое может выдавать излучатель, составляет 3500 Па (191 дБ/1 мкПа). Сигналы, создаваемые излучателем, записывались контрольным гидрофоном. Контрольный гидрофон имел чувствительность около 1 мВ/Па. Он помещался в 1 м от излучателя на гибкой подвеске. Дополнительная аппаратура излучающей системы размещалась на льду. В её состав входила система точного времени, обеспечивающая точность 1 мс. Полученные записи контрольного гидрофона использовались для дальнейшей обработки совместно с данными мобильного лазерного деформографа. Мобильный лазерный деформограф был установлен на берегу в месте с координатами 43°11.754¢ СШ и 131°55.141¢ ВД. Оптическая часть лазерного деформографа собрана по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона и аналогична стационарным лазерным деформографам [5]. В интерферометре использовался частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер фирмы Melles Griot. Длина рабочего плеча интерферометра составляла 6 м. Точность измерения смещения на базе прибора составляла 0.3 нм. Система регистрации лазерного деформографа работала под управлением системы точного времени, обеспечивающей точность 1 мс. Карта со схемой эксперимента приведена на рис.1. Расстояние между точками излучения и приёма было равно 3150 м. В ходе эксперимента использовалась модель сигнала, состоящая из одного тонового сигнала длиной 300 с, паузы 30 с и одного фазоманипулированного сигнала длиной 485 с. Дополнительно, после каждой серии излучения, выполнялось излучение одного фазоманипулированного сигнала. В дальнейшем проводилась свёртка сигнала, записанного контрольным гидрофоном, с сигналом, записанным мобильным лазерным деформографом. По положениям максимумов свёртки на временной шкале были определены времена приходов сигналов от точки излучения до точки приёма. Выполнялось несколько серий излучения, в которых после быстрого экспресс-анализа выделялось от трёх до пяти приходов сигналов. В ходе дополнительной обработки полученных данных с применением низкочастотной фильтрации в каждой серии было выделено по пять максимумов значительной амплитуды (см., например, рис.2). Рис. 1. Схема эксперимента. И - излучатель; ЛД - мобильный лазерный деформограф. Рис.2. Результаты свёртки данных мобильного лазерного деформографа с данными контрольного гидрофона. Зимний эксперимент. В мае 2017 года эксперимент был повторён при полном отсутствии льда. Излучающая и приёмная системы находились в точках зимнего эксперимента. Работа излучающей системы обеспечивалась с борта научно-исследовательского судна. В результате свёртки данных мобильного лазерного деформографа с данными контрольного гидрофона выделено более надёжно пять мощных максимумов, т.е. пять приходов сигнала от излучающей системы до берегового лазерного деформографа, см. рис. 3. В таблице 1 приведены результаты свёртки зимнего и весеннего экспериментов. Рис.3. Результаты свёртки данных мобильного лазерного деформографа с данными контрольного гидрофона. Весенний эксперимент. На рис.4 приведена модель верхнего слоя морской земной коры на трассе «излучение-приём», построенная по данным скважинного бурения недалеко от гидроакустической трассы и данным сейсмоакустических исследований, выполненных с помощью спаркера и высокочастотного профилографа «GeoPulse Subbottom Profi lier». По результатам изучения керна определены состав и возраст донных осадков и восстановлены условия их формирования. Верхний осадочный слой состоит из илов пелитовых и илов алевритовых с примесью щебня и обрывков водорослей до глубины около 35 м. Далее слой песка мощностью 10 м, гравийно-галечный слой мощностью около 15 м. На глубине более 59 м находится слой пестроцветных глин. Слои песка и гравийно-галечный имеют локальное расположение по Амурскому заливу в углублениях в слое пестроцветных глин. Мощность слоя пестроцветных глин не установлена. Однако по геофизическим данным региона южная часть депрессии залива заполнена кайнозойскими отложениями мощностью более 2500 м, залегающими на верхнепермских вулканогенно-осадочных породах и прорывающих их гранитоидах. Пески и гравийно-галечный слои обнажаются на берегу, где была установлена приемная станция. По данным геологических исследований на берегу верхние осадочные слои представлены Владивостокской свитой, состоящей из андезитов, дацитов, риолитов и их туфов, туффиты, песчаники, алевролиты, туфоконломераты и углистые аргиллиты. Рис.4. Геологический разрез «излучение-прием». I - Осадочный слой, состоящий из илов пелитовых и илов алевритовых, II - Осадочный слой песков, III - Гравийно-галечный слой, IV - Пестроцветные глины, V - Владивостокская свита. Учитывая то, что длина излучённой гидроакустической волны примерно равно 45 м, т.е. половина гидроакустической волны равна 22.5 м, можно считать, что по воде, при изменении глубины моря с 15 до 0 м, сигнал до берега практически не распространяется. Учитывая малую толщину слоёв по сравнению с расстоянием между излучателем и приёмником можно грубо считать, что все сигналы, соответствующие каждому приходу, прошли расстояние минимум 3200 м. Тогда в зимнем эксперименте эти приходы соответствуют наименьшим скоростям около 2600, 2140, 1750, 1550 и 1280 м/c. В весеннем эксперименте эти приходы соответствуют скоростям около 2250, 1950, 1700, 1480 и 1300 м/c. Будем считать, что излучённый гидроакустический сигнал распространяется в виде поверхностных волн по границам слоёв «вода-слой I», «слой I - слой II», «слой II - слой III», «слой III - слой IV» «слой IV - слой V», скорости которых с глубиной увеличиваются. Мы рассчитали только минимальные усреднённые скорости приходов, которые только могут только увеличиться при более сложных путях распространения излучённых сигналов. Более тщательный подбор можно выполнить на суперкомпьютере с уточнением представленной модели земной коры, что является задачей будущих модельных исследований. Заключение В результате обработки экспериментальных данных, полученных в зимний период, при наличии сплошного ледяного покрова, и в весенний период, при отсутствии льда, выделено пять приходов излучённых гидроакустических сигналов, зарегистрированных береговым лазерным деформографом. Данный результат подтверждает модель верхнего слоя морской земной коры, построенную по ранним геолого-геофизическим данным. Величины скоростей распространяющихся гидроакустических сигналов на трассе «излучение-приём» в зимний период почти всегда чуть больше величин скоростей в летний период. Это, по-видимому, связано с отрицательными температурами и с замёрзшим состоянием пород некоторого участка дна и береговой области, на которой был установлен мобильный лазерный деформограф. Благодарности Часть исследований выполнена при финансовой поддержке РНФ (соглашение №14-50-00034, создание аппаратуры) и РФФИ (грант 16-29-02023 офи_м, проведение эксперимента, обработка и интерпретация полученных экспериментальных данных).

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.